基于本体的指挥信息系统建模

程建博, 刘德生

(装备学院, 北京 101416)

基于本体的指挥信息系统建模

程建博, 刘德生

(装备学院, 北京 101416)

利用本体规范、可重用、形式化的特点,提出基于本体的指挥信息系统建模方法框架,从指挥信息系统单元和实体间关系两个方面构建指挥信息系统本体模型,并以天基信息支援下的反导作战指挥信息系统为例对提出的方法进行检验,可为系统的设计与分析提供规范的模型描述手段。

指挥信息系统; 本体建模; 形式化描述; 可重用; 反导作战

指挥信息系统的建模和规范化的模型描述是指挥信息系统研究的关键环节,是系统分析和评估的基础。目前关于指挥信息系统建模与描述的方法包括基于DoDAF结构框架的多视图方法、基于复杂网络理论的建模方法等。本体是共享概念模型明确的形式化规范说明[1],它具有规范、可重用、形式化的特点。本体用形式化的方法对领域内的概念及概念间的关系进行规范化描述,实现了领域知识的共享和重用,在军事、医学、情报检索等领域得到了广泛的应用[2]。本文借鉴本体在知识建模方面具有规范化、共享重用的特点,提出基于本体的指挥信息系统建模方法,对指挥信息系统从单元和实体间关系两个层面进行本体建模和描述,提供了规范的模型描述手段。

1 基于本体的指挥信息系统建模方法

指挥信息系统本体模型是对指挥信息系统组成及关系的描述,通过建立指挥信息系统本体模型,可以提供对系统的统一理解和规范,实现不同评估目标的信息共享和重用。本体依照领域依赖程度,可以细分为顶级本体、领域本体、任务本体和应用本体4类[3]。其中领域本体是指描述特定领域中的概念及概念之间的关系。对指挥信息系统的本体建模属于领域本体建模的范畴。

1)建模原则及建模工具

本体构建是一项系统工程,需要领域分析人员按照一定的原则、方法,采用合适的本体构建工具对领域本体进行建模。T.R. Gruber提出了指导本体构建的五条原则,分别是清晰、一致、可扩展性、编码偏好程度最小和本体约定最小[4]。本文结合指挥信息系统建模领域特点,在以上五条原则的基础上提出三条指挥信息系统本体建模的原则:

①规范性。指挥信息系统建模的概念和关系规范明确,对指挥信息系统建模所涉及的概念和关系具有明确规范的定义或者以权威的资料为参考,保证概念、关系的前后一致,无二意;

②可扩展性。指挥信息系统建模是动态、可扩展的,基于本体的系统建模框架应该支持在已有概念和关系的基础上添加新的概念和关系,而对已有概念关系的定义没有影响;

③本体约束最小。在对关系的约束中,只要能满足系统分析人员知识共享的需求即可,从而使系统建模者可以自由地按照他们的需求去实例化本体。

Protégé是斯坦福大学开发的一款开源本体构建工具,其支持领域本体的可视化建模,具有良好的本体编辑界面,便于对本体的概念类、关系、属性、实例进行编辑操作,能够直观地展示概念层次结构关系,便于领域分析设计人员进行领域本体建模,且其支持中文语言的特点,使得protégé成为目前最受欢迎的本体建模工具。

2)构建方法步骤

Perez[5]等人认为本体可以按分类法来组织,他归纳出本体包含5个基本的建模元语。这些元语分别为:类(classes)、关系(relations)、函数(functions)、公理(axioms)和实例(instances)。概念之间的关系主要有4种:part-of(表达概念之间部分与整体的关系),kind-of(表达概念之间的继承关系),instance-of(表达概念的实例和概念之间的关系),attribute-of(表达某个概念是另外一个概念的属性)。其实,本体就是通过对于概念、术语及其相互关系的规范化描述,勾画出某一领域的基本知识体系和描述语言。在实际的应用中,不一定要严格地按照上述5类元语来构造本体,同时概念之间的关系也不仅限于上面列出的4种基本关系,可以根据特定领域的具体情况来定义相应的关系,以满足应用的需要[6]。

目前领域本体构建针对具体的领域背景产生了不同的领域本体构建方法。国外主要的构建方法有IDEF5法、骨架法、TOVE法、METHONLOGY法、KACTUS法、七步法和SENSUS法等,其中七步法具有较强的通用性,也是目前成熟度比较高的领域本体构建方法。七步法是斯坦福大学基于Protégé本体构建工具提出的一种领域本体构建方法,包括确定领域范围、考虑复用已有领域本体、列出重要术语、定义类和类的层次关系、定义类的属性、定义属性的约束、创建实例七个步骤[7]。结合指挥信息系统建模领域特点,基于Protégé本体构建工具,在七步法的基础上提出指挥信息系统本体建模步骤:

a.抽取具有共同属性的实体为系统单元类,定义系统单元类和类之间的层次关系;

b.定义系统单元类的能力指标属性,并用数据属性进行建模描述;

c.定义实体间组织关系和信息关系,并用对象属性进行建模描述;

d.针对具体指挥信息系统,对单元类和实体关系进行实例化。

2 基于本体的指挥信息系统建模

指挥信息系统是军事信息系统的核心,它是由多个分系统构成的复杂巨系统。结合指挥信息系统信息域特点,本文从信息层面将指挥信息系统抽象为信息获取单元、信息处理单元、信息传输单元和指挥决策单元共四类基本单元,各单元根据不同的分类准则又可进一步划分为各子单元。而火力打击单元是武器系统根据指挥决策信息对目标进行打击,传递的是能量流,不属于整个作战中信息流的范畴,故在此不考虑火力打击单元,而主要根据指挥信息系统信息域的特点将其抽象归纳为以上四个基本单元。本节基于本体的建模方法,分别从系统单元和实体关系两个方面对指挥信息系统进行建模。

2.1 基于本体的指挥信息系统单元建模

1)信息获取单元本体建模

定义1信息获取(Information Obtainer,O)单元:信息获取单元定义为一类能够根据各类传感器获取战场目标信息的功能实体。可进一步划分为情报侦察单元、预警探测单元、综合保障单元。将信息获取单元看作类,则情报侦察单元、预警探测单元和综合保障单元为信息获取单元的子类。在面向具体指挥信息系统评估时,只需对所属类进行实例化。如情报侦察单元可实例化为电子侦察卫星、光学成像卫星、侦察机等;预警探测单元可实例化为预警卫星、预警机、预警雷达等;综合保障单元可实例化为导航定位卫星、气象卫星、测绘卫星等。定义信息获取单元能力指标包括:信息获取范围、信息获取精度、信息获取概率、信息获取分辨率。利用本体数据属性对信息获取单元能力指标进行描述。

2)信息传输单元本体建模

定义2信息传输(Information Transfer,T)单元:信息传输单元定义为一类能够将信息处理单元处理后所得情报信息传输给指挥决策单元的功能实体。可实例化为地面骨干网,通信卫星,数据链等。定义信息传输单元能力指标包括:信息容量、刷新频率、信息传输时延。同样利用本体数据属性对信息传输单元能力指标进行描述。

3)信息处理单元本体建模

定义3信息处理(Information Processor,P)单元:信息处理单元定义为一类能够对信息获取单元所得目标信息进行处理的功能实体。是对各级各类信息处理系统的统称,可实例化为信息融合中心和地面站。定义信息处理单元能力指标包括:吞吐率、精确度、系统响应时间。其中吞吐率指指控系统单位时间内处理的信息量;精确度指信息获取单元探测到目标信息处理的精确程度;系统响应时间指指控系统从信息获取单元接受目标信息,进行分析和处理至得到目标具体信息所用的时间。同样利用本体数据属性对信息处理单元能力指标进行描述。

4)指挥决策单元本体建模

定义4指挥决策(Decision Maker,D)单元:指挥决策单元定义为一类能够根据战场情报信息形成决策方案并对作战单元实施指挥控制的功能实体,是对各级各类指挥控制系统的统称,可实例化为联合指控中心、反导指控中心等。定义指挥决策单元能力指标包括:准确性、完整性和时效性。同样利用本体数据属性对信息传输单元能力指标进行描述。

以上关于单元类的建模过程可以在Protégé的Class模块里完成,可以进行类的编辑,建立类的层级结构;对类的实例化可以在Protégé的Individuals模块里完成;对能力指标的建模过程可以在Protégé的Data properties模块里完成,如图1所示。

图1 基于本体的指挥信息系统单元建模

2.2 基于本体的指挥信息系统关系建模

对指挥信息系统建模,除对各单元类及其属性进行建模外,还应该考虑实体间关系的建模。本文将指挥信息系统实体间关系划分为组织关系和信息关系两大类,利用本体的对象属性分别建立hasOrganizationRelation组织关系属性和hasInformationRelation信息关系属性。

其中组织关系属性包括子类is-part-of关系,hasComponent关系,hasCoUnit关系,hasSubUnit关系和hasUpUnit关系。其中is-part-of关系和hasComponent关系具有传递性,同时又互为逆关联;hasSubUnit关系和hasUpUnit关系也同时具有逆关联。通过组织关系属性可以对各单元之间及实体间的组织结构关系进行描述。各组织关系属性含义如下表1所示。

表1 组织关系属性

对于指挥信息系统除组织关系外,还包括组分单元之间的信息交互关系。在作战流程中,单元之间的信息交互通过信息流的方式体现。信息流包括指控流、状态流和情报流(态势流)。因此本文将信息关系归纳为commandTo关系、reprortTo关系和shareWith关系,三者均为信息关系的子类,通过信息关系属性可以表达不同单元及实体之间的信息交互关系。各信息关系属性含义如表2所示。

表2 信息关系属性

在Protégé的Object properties模块里可以进行组分关系的定义编辑操作,同时可以展示关系的层级结构。如图2所示。

图2 基于本体的指挥信息系统关系建模

3 天基信息支援下的反导作战指挥信息系统实例验证

现代反导作战指挥信息系统(Anti-missile Command Information System,AMCIS)是针对导弹目标,涵盖天基、空基、地基、海基各域武器装备的一体化综合反导系统,而本节考虑在天基信息支援下的反导作战流程[8],建立天基信息支援下的反导作战指挥信息系统本体模型。

天基信息支援下的反导作战指挥信息系统的组织结构如图3所示,图中实线代表组织间信息关系,箭头代表信息传递方向。虚线代表能量流的传递,不属于本文考虑范围。图中只对系统的树形结构进行描述,不考虑其纵向越级指挥关系和横向协同信息交互关系。

结合天基信息支援下的反导作战流程和组织结构关系,基于本体对其进行建模,只需在前文建立指挥信息系统模型的基础上进行实例化。

图3 天基信息支援下的反导作战指挥信息系统组织结构

1)单元实例化

a.以评估为目的,天基信息支援下的反导作战指挥信息系统可以看作评估对象类EO的一个实例。

b.对信息获取单元下的子类预警探测单元进行实例化:预警卫星O1、O2,地基预警雷达O3、O4、O5、O6,地基精密跟踪雷达O7、O8、O9、O10。

c.对信息传输单元实例化:卫星通信系统T1、T2。

d.对信息处理单元实例化:地面站P1、P2,地基预警雷达情报处理单元P3、P4,地基精密跟踪雷达情报处理单元P5、P6,信息融合中心P7、P8。

e.对指挥决策单元实例化:反导指控中心D1,反导指控中心D2,联合反导指控中心D3。

基于Protégé工具进行单元实例化如图4所示。

基于本体描述语言RDF语言对实例化后的反导作战指挥信息系统形式化描述如下所示:

图4 天基信息支援下的反导作战指挥信息系统单元实例化

2)关系实例化

信息化作战背景下,指挥信息系统呈现扁平化的结构关系。此处对于关系的实例化包括除树状结构关系以外的组织关系和信息关系,以更符合实际作战要求。

a.组织关系实例化:天基信息支援下的反导装备体系组成可用hasComponent关系或者is-part-of关系来表示;联合反导指控中心和反导指控中心是上下级关系,信息融合中心和地基预警雷达情报处理单元、地基精密跟踪雷达情报处理单元也是上下级关系,可用hasUpUnit关系或者hasSubUnit关系来表示;地基预警雷达之间,地基精密跟踪雷达之间,地基预警雷达情报处理单元和地基精密跟踪雷达情报处理单元之间,信息融合中心之间以及反导指控中心之间均存在协同关系,可用hasCoUnit关系表示。组织关系实例化如表3所示:

b.信息关系实例化:联合反导指控中心和其下属的反导指控中心之间,反导指控中心和信息融合中心之间,雷达情报处理单元和雷达之间,以及信息融合中心和雷达情报处理单元之间具有指控关系,可用commandTo关系表示;雷达将自己的工作状态信息反馈给雷达情报处理单元,信息融合中心将自己的状态信息反馈给反导指控中心,这种状态反馈关系可用reportTo关系来表示;预警卫星和地面站之间的情报信息传递关系,雷达和雷达情报处理单元之间的情报传递关系,信息融合中心和反导指控中心之间的情报信息传递关系,雷达情报处理单元之间的情报传递关系,反导指控中心之间的情报信息传递关系可用shareWith关系来表示;同时雷达单元之间,信息融合中心之间以及反导指控中心之间的信息协同共享关系也可以用shareWith关系来表示。信息关系实例化如表4所示:

表3 组织关系实例化

表4 信息关系实例化

以反导指控中心D1为例,对于其组织关系它是天基信息支援下的反导作战指挥信息系统的一个组成部分,可用is-part-of关系表示,同时反导指控中心D1和联合反导指控中心D3有上下级hasUpUnit关系,和反导指控中心D2有协同hasCoUnit关系;而对于其信息关系,反导指控中心D1对信息融合中心P7传递指控命令消息,用commandTog关系表示,将其态势综合信息发送给联合反导指控中心D3,用shareWith关系表示,将其作战计划或命令发送给具有协同关系的反导指控中心D2,也可用shareWith关系表示。利用Protégé工具对其进行组织关系和信息关系实例化如下图5所示。

基于本体描述语言RDF语言对实例化后的反导指控中心D1的组织关系和信息关系形式化描述如下所示:

图5 反导指控中心D1关系实例化

利用本体的类、属性、实例元素对系统进行建模,具有规范、可重用、形式化的特点,可方便地添加实体,并对实体间的组织关系和信息关系进行建模描述,具有可扩展性,通过上述实例验证了本文方法的可行性。

4 结束语

指挥信息系统本体建模是针对指挥信息系统建设与发展,通过基于本体的规范化描述方法对系统进行建模,为系统设计建设人员和领域评估人员等提供了一个完整的、规范的、可修改的、可跟踪的模型,是指导系统建设的一项重要工作。本文在指挥信息系统分析基础上,基于本体对其进行形式化建模,具有规范、可重用、形式化的特点。下一步研究工作:在形式化建模的基础上,对指挥信息系统单元和结构进行评估,进而实现对指挥信息系统能力的评估,指引指挥信息系统的规划建设。

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Modeling of Command Information System Based on Ontology

CHENG Jian-bo, LIU De-sheng

(Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

Using ontology specification, reusable, and the characteristics of formal, proposes a framework of command information system modeling method based on ontology, the ontology model of command information system is constructed from two aspects of command information system unit and the relationship between entities, and the space-based information support of the anti-missile combat command information system as an example to verify the method proposed in this paper, can provide a standardized model description means for system design and analysis.

command information system; ontology modeling; formal description; reusable; anti-missile operation

1673-3819(2017)06-0082-07

E94

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.018

2017-07-10

2017-07-20

程建博(1992-),男,河南濮阳人,硕士研究生,研究方向为信息系统建模与评估。刘德生(1976-),男,博士,副研究员,硕士生导师。